（材料加工工程专业论文）水泥混凝土路面裂缝修补材料的研究.pdf

摘要 我国有2 9 8 万公旱公路，水泥混凝土路面占到其中的一半左右，路面裂缝 是水泥混凝土公路损坏的最常见的形式。然而目前所用的裂缝修补材料效果都不 理想。本文研究了两类混凝土路面裂缝修补材料，即聚合物改性硫铝酸盐水泥修 补材料和改性环氧树脂类修补材料，分别适用于不同宽度的裂缝。 研究发现，对于聚合物改性硫铝酸盐水泥修补材料，在粘度相同的情况下， 聚合物改性水泥浆体比普通水泥浆体可灌性具有明显的改善效果。同时，聚合物 改性水泥浆体与旧混凝土的粘结性也有大幅度的提高。丙烯酸酯乳液和丁苯乳液 改性普通水泥浆体的拉伸粘结强度比普通水泥提高约1 0 0 3 0 0 。丙苯乳液改 性硫铝酸豁水泥的1 天和4 天剪切粘结强度与硫铝酸盐水泥相比最大可以提高 1 0 0 和1 4 0 ，聚合物的最佳掺加量应在2 5 左右。聚合物改性水泥浆体的干燥 收缩与聚合物的品种、填料掺量和水狄比有关。与普通水泥相比，聚合物改性硫 铝酸盐水泥浆体的收缩性前期略有膨胀，6 0 天后期其收缩性才达到普通水泥7 天的收缩率，而且1 天抗折与抗压强度即能满足路面板强度要求。对改性环氧树 脂类修补材料的研究表明，未改性环氧树脂在干燥条件下具有很好粘结性能，其 粘结强度可达到3 2 兆帕，但在基材潮湿的条件下粘结强度很低，而且随时间延 长而继续降低。本文通过对环氧树脂的改性，较好地解决了这一问题。湿度较小 的条件下，采用了脂肪族聚氨脂的预聚体改性环氧树脂配方。实验证明，在湿度 较大的条件下，各种环氧树脂改性后的强度都达不到以酚醛树脂t - 3 1 作为固化 剂时的强度，它的粘结抗折强度可达到2 7 5 兆帕。路面裂缝的修补采用了自然 灌浆法和压力灌浆法。 关键词：环氧树脂聚合物改性水泥浆体聚氨脂改性环氧树脂浆体混凝土 路面裂缝修补 a b s t r a c t t h e r ea r em a n yc e m e n tc o n c r e t er o a d si no u rc o u n t r y t h em o s ti n i t i a lf a i l u r e f o r mo fc e m e n tc o n c r e t er o a d si sc r a c k sa p p e a r e di nt h er o a ds u r f a c eb l o c k h o w e v e r ， t h ec u r r e n tp a t c hm a t e r i a l sc a nn o tm e e ta l lt h er e q u i r e m e n t s i nt h i sp a p e r ，t h es p e c i a l c e m e n tm o d i f i e dw i t hp o l y m e rl a t e xa n dt h em o d i f i e de p o x yr e s i na sg r o u t i n g m a t e r i a l si ss t u d i e d f o rt h ep o l y m e r - m o d i f i e dc e m e n tp a s t e ，t h et e s t ss h o wt h a tt h eg r o u t i n ga n d a d h e s i v ep r o p e r t i e so fc e m e n tp a s t ea r eo b v i o u s l yi m p r o v e dw i t hp o l y m e r t h et e n s i l e b o n ds t r e n g t ht ot h eo l dc o n c r e t eo fa c r y l i cl a t e xa n ds t y r e n e b u t a d i e n el a t e xm o d i f i e d c e m e n tp a s t ei s10 0 30 0 h i g h e rt h a nt h a to ft h ec o n t r o lp a s t e ，a n dt h e c o m p r e s s i v es h e a rb o n ds t r e n g t ho fa c r y l i c s t y r e n el a t e xm o d i f i e dp a s t ep r e p a r e dw i t h s u l p h o a l u m i n a t ec e m e n ta t1da n d4dc a nb ei n c r e a s e db y10 0 a n d14 0 t h a n t h ec o n t r o lp a s t ea tt h ep o l y m e r c e m e n tr a t i o o f2 5 t h e s h r i n k a g eo ft h e l a t e x m o d i f i e dc e m e n t p a s t e v a r i e sw i t hp o l y m e rt y p e s ，f i l l e ra d d i t i o na n d w a t e r c e m e n tr a t i o i ti sf i r s tr e p o r t e dt h a tt h es h r i n k a g eo fs u l f - a l u m i n a n t ec e m e n t m o d i f i e db yp o l y m e ri sm u c hl o w e rt h a nt h a to ft h ec o n t r o lp a s t ea n di nt h ee a r l y c u r i n gs t a g e ，t h ep a s t eh a ss o m ee x p a n s i o n s t h e6 0 ds h r i n k a g eo fs u l f - a l u m i n a t e c e m e n ti ss i m i l a rt ot h a to f7 ds h r i n k a g er a t eo ft h eo r d i n a r yc e m e n ta n di t sld c o m p r e s s i v es t r e n g t h e na n dt e n s i l es t r e n g t h e nc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h er o a d l o a d i n gv e r yw e l li no u rc o u n t r y i nt h i sp a p e r ，t h ep r o p e r t i e so ft h ee p o x yr e s i na sr e p a i rm a t e r i a lw e r es t u d i e d t h et e s tr e s u l t ss h o w e du n m o d i f i e de p o x y r e s i ni sp r o p e rf o rt h eb o n do fc o n c r e t ea t d r yc o n d i t i o n e p o x yr e s i nm o d i f i e db x p u ri ss u i t a b l ef o rt h ew e tc i r c u m s t a n c e s b e s i d e st h i s ，p h e n o l f o r m a l d e h 、d er e s i na st h e c u r i n ga g e n th a st h eb e s tp r o p e r t i e si n t h ew e tc i r c u m s t a n c e s k e yw o r d s ：g r o u t i n gm a t e r i a l s ，s p e c i a lc e m e n tm o d i f i e db yp o l y m e r ，e p o x yr e s i n ， g r o u tu n d e rp r e s s u r e 声明尸明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成硕士学位论文! 丞逞湿邂路面型缝修主i 挝料的砑 定。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未 加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：刘莅刁 2 0 0 4 岁月日 第1 章绪论 1 1 我国混凝土高速公路现状 1 1 1 我国混凝土高速公路发展 高速公路不仅提供高速，舒适，便捷的交通，还具有高速度，高密度，高投 入，高效益等特点。我国目前由于经济的高速发展，基础建设也得到了快速的提 升。从1 9 8 8 年我国高速公路f 式通车到现在，我国高速公路取得了跨越式的发 展。据统计，我国高速公路到2 0 0 1 年底已达到1 9 3 万公里，跃居世界第二位。 而到2 0 0 3 年底，我国高速公路罩程已达到了2 9 8 万公旱，两年增加了一力多公 里，水泥混凝土路面和沥青路面占据其中的8 0 以上，而水泥混凝土高速公路 可达4 0 左右。高速公路作为省际，市间的交通运输联络手段，对区域的经济 增长及我国g d p 的贡献仅去年一年就达到了o 3 。据报道“) ，中国公路的建设 仍然处于一个高速发展的时期。交通部制定的目标为到2 0 1 0 止，中国的公路里 程将要达到1 8 5 万公里长，其中高速公路罩程将达到7 万公晕以上，连接所有目 前人口在2 0 万以上的城市，基本形成国家高速公路网。中国的高速公路将面临 着一个前所未有的辉煌时期。 1 1 2 我国混凝土高速公路面临的问题 有别于普通的公路，高速公路对建设质量与维护提出了更高的要求。世界各 重普遍认定高速公路的损坏年限一般为1 0 1 5 年，但在使用过程中，一般7 8 年就要大修。而我国由于车辆超载严重及养护不当等原因，高速公路的有效使用 年限还要更短些。河南省交通部发仃报告中，该省的高速公路使用期限只有三年， 路面已经发生了严重的破损现象。设计不到位，施工不规范，养护不得力，材料 偷工减料，都向高速公路的科技研究与攻关提出了大量的理论与实践课题【。产 生的裂缝，不仅影响行车舒适性与安全性，而且如果不及时修补，细小的裂缝中 雨水渗入后，水压将会使裂缝进一步扩展【z 1 甚至带来路基的沉降，由此造成的 。h ! 姬；& 型竖立匹b 璺! ：曼q 盟：璺n 国貉院研究发展中心信息嘲，国家高速公路发展规划2 0 0 3 1 1 5 1 损失是巨大的。掘保守估计，每年损失至少1 0 亿元吲。1 9 8 7 年，美国国会为此 专门通过一项战略公路研究计划，5 年中投资了1 5 亿美元来研究如何提高道路 的使用性能与寿命c 孙。 据统计，在8 0 9 0 年代初期建成的混凝土高速公路许多已产生了裂缝，有 的已经破裂甚至翻修。路面裂缝有横向裂缝、纵向裂缝、斜向裂缝和交叉裂缝。 路面破坏有拱起，碎裂，断裂，错台，脱皮等现象。拱起为水分掺入路面下的地 基后，顶起道路表层混凝土产生的。路面板断裂一般发生在道路地基填充密实度 不够，在自重力与道路车辆压力的作用下，部分地基沉降，路面板脱空，由于混 凝土路面抗折强度不高而造成的路面板脱丌现象。碎裂则是在断裂的后期产生 的，路面板不再属于一个整体，为破坏严重类型。错台则是由于路面热胀冷缩而 造成接缝部分路面高度不均而产生的现象。脱皮是路面由于车辆的行驶与道路磨 擦使路面混凝土剥落造成的路面不平坦现象。由于高速公路在我国是一个新生事 物，修补材料的研究明显滞后于道路修补的需求。国外在8 0 年代初爿开始这方 面的工作，我国丌展修补材料的研究从8 0 年代后期开始着手。河南省每年在高 速公路维修上的花费达3 6 0 0 万元。我国目前研究方面主要集中在路面板整个维 修的场合，推出的修补材料如k s 、j k 、a s 型材料，对于前期的裂缝修补材料 研究较少t 4 1 。但早期有效的修补与预防，对延长道路的使用寿命，经济损失达到 最小方面起到事半功倍的效果。现有的混凝土公路裂缝修补材料难以满足高速公 路快速长久通车的实际需要，因而造成了修了补，补了又修的恶性循环，既影响 了高速公路的运行效率，又造成了人力与物力的大量浪费。 1 1 3 混凝土道路裂缝产生的原因 要研制混凝土道路裂缝的修补材料，对混凝土道路的裂缝进行有效修补，首 先必须清楚混凝土裂缝产生的原因，并在此基础上明了混凝土道路修补材料应具 有的性能。混凝土常见裂缝产生的原因是多种多样的，既有设计的方面，也有整 工方面的原因。施工中每一个因素如材料品质，施工工艺，施工温度，气候，旋 工措施等，都有可能引发混凝土产生裂缝。具体原因分述如下： ( 1 ) 温差裂缝 2 国务院研究发展中心信息嘲关于加强科学技术研究和提高高速公路建设的几点看法，2 0 0 3 1 1 0 6 2 温差裂缝分为两种，一种是表面裂缝，一种是贯穿裂缝。表面裂缝是大多是 因为温差变化较大造成的。在混凝土固化早期，内部结构内的水泥水化放出了不 少的热量，而混凝土又是热的不良导体，因此，内部温度不断升高，内外温差变 化较大。如遇施工不当，过早拆模，或冬季施工，过早去掉保温层，将会造成外 层混凝土受到拉力作用，由于混凝土早期的弹性模量和抗拉强度都较低，因此容 易导致混凝土产生裂缝，但是这种裂缝一般产生在混凝土表面。 深进的和贯穿的裂缝都是因为温差较大，结构发生收缩时受到外界制约产生 的。当大体积的混凝土路面施工时，它是浇注在路基上的，当冷却收缩时，由于 没有采取隔离层等保护措施，当混凝土收缩时，会受到路基对它的约束力，因而 产生裂缝，这种裂缝一般发生在施工后的三四个月后，对水泥路面的危害较大【5 ，6 1 。 ( 2 ) 施工裂缝 施工造成的裂缝是公路裂缝产生的原因之一。如混凝土路面板标高不足，使 用过程中，由于抗剪能力不足产尘的裂缝。其次是养护湿度条件，如果新浇注 混凝土在浇注后迅速干燥，表面已经发生硬化，其塑性收缩不能抵消干燥收缩时 发生的体积变化，而此时的混凝土的强度也不能抵抗混凝土因收缩而产生的拉应 力，混凝土就会发生塑性收缩裂缝1 3 l 。另外的原因是混凝土在浇注过程中浇注速 度与浇注条件控制不当，将导致混凝土发生泌水，离析或地基沉降等，引起水泥 混凝土路面的变形。 ( 3 ) 材料与混合比引起的裂缝 首先是水扶比。一方面，用水量越多，混凝土的收缩就越大：另一方面，水 灰比越大，混凝土的燕麦越低。混凝土路面抗剪能力下降，因而裂缝形成的机率 增加1 9 l 。其次是水泥的舞量。水泥越细，收缩性越大，水泥量越多，混凝土路面 的收缩性也就越大。乒奇矣抖也是一个重要的原因，集料的级配不合理，会造成 混凝土强度下降，抵莸襄缝形成的抗拉强度降低。最后原因是混凝土施工时掺入 的外加剂。外加剂的抓入如果在相同的施工性能下造成水泥混凝土路面的用水 量增加，将对水泥混凝土路面的收缩和丌裂产生重要的影响。 1 2 混凝土道路修补材料的类型 水泥混凝土路面产生的裂缝对于路面的寿命与行车时的舒适度具有重要的 影响。裂缝一旦形成后，水分、行车时的载荷，都将引起裂缝进步扩张，造成 破坏性的后果 1 0 , t q ，所以非常有必要对裂缝进行修补。修补时对于不同程度损坏 的裂缝采用分别的处理措施。如对于轻微的裂缝，采用的是灌浆处理。而对于扩 展性裂缝，则用凿槽法。如果是贯穿全板厚的裂缝，条带罩补法效果较好。缝宽 如果大于2 5 毫米，则应该采用全深补块法u 2 。在我国，目前对于较严重裂缝的 修补材料研究较为成熟，而对于微细裂缝，虽然工程上使用过多种灌浆材料，但 大多数都没有获得非常满意的结果。目前微细裂缝修补用的灌浆材料分类见表1 。 表i 传统灌浆材料的分类表 分类灌浆利料 水泥，石灰，粘十纯水泥灌浆，水泥粘_ 七灌浆，钿- 灰粘土灌浆，石灰水泥灌浆，石灰灌浆 化学灌浆水玻璃类灌浆，术质索类灌浆丙烯酰胺类灌浆，丙烯酸盐类灌浆，聚氨 酯类灌浆，环轼树脂类灌浆，q 1 幕丙烯酸酯类灌浆，：h ；他灌浆 沥青材料低粘性沥青乳化沥青。沥青马蹄酯 1 2 1 沥青材料作为修补材料 沥青材料作为一种修补材料，已经应用多年。它包括低粘性沥青，乳化沥青， 沥青马蹄酯等。其组成成分里一般含有粘稠石油沥青，稀释剂以及稀释剂与植物 油的混合物，从而起到改变其粘度，改善其工作性能的目的。在加入后，由于溶 剂的挥发，沥青材料逐渐形成强度，满足行车的要求。这种材料使用具有施工简 便，柔性强，成本低等特点m 】。另外，据报道，我国目前研制出的乳化沥青，采 用高分子聚合物使沥青改性，具有施工快，粘附性强，无污染，无气味等特点。 长期以来，采用沥青材料作为修补材料，尽管方法简便，但缺点较多。 ( 1 ) 道路强度不均二，负荷不一致。沥青材料与混凝土材料有着本质的不同。 橡胶沥青材料作为修补材料，其优点在于其固化后呈柔性。而混凝土是一种刚性 4 物质。受外力作用后应力分和也不相同，如处理不当，水泥混凝土路面可能发生 更大程度的裂缝。 ( 2 ) 使用寿命短。沥青材料作为一种修补材料，本来就比混凝土路面的寿命 要短得多。夹在路面板中间，作为应力集中地带，其使用时间更加大为缩短。经 常一个冬天后就要重新修补。沥青材料只能用为一种应急措施，不能作为根本解 决方法，因而大大增加了修理的成本。 ( 3 ) 影响路面的平整度，影响使用功能。沥青材料的热稳定性差，夏天在高 温的环境下，容易产生变形。尤其与水泥混凝土路面一起进行荷载时，路面表面 会产生凹凸不平的现象，影响行车的安全性。 ( 4 ) 不美观。整个路面中i 白j 补上一块黑色物质，路面景观受到了影响。 1 2 2 水泥石灰粘土类灌浆类材料 水泥石狄粘土类灌浆材料，作为最古老的一种修补方法，目前除超细水泥还 用做补缝材料以外，文献中论述不多。用水泥石狄粘土类灌浆类材料具有成本低， 操作简便等优点，主要有以下缺点： ( 1 ) 收缩大，易导致新老材料分开。普通修补材料的致命弱点是水泥水化过 程中水化热过大，会产生体积收缩。许多研究表明，水泥水化后体积都要减少， 每1 0 0 克水泥会达到o 0 4 o 0 6 左右。水泥水化是一个放热过程，其水化热一 般为4 0 一6 0 k g 。当修补材料与周围温差较大时，就会发生干缩与冷缩效应。水 泥水化后的热胀冷缩一般在水泥水化早期最为显著。而此时的水泥强度却是较低 的，很难承受水泥干缩与冷缩产生的收缩应力，因而新老混凝土之间易于裂开。 ( 2 ) 本身粘度较低，与老基材的牲结力较差。水泥本身的粘度较低，且不说 与老基材之间的粘结力，就是水泥大擞量施工时，自身也会出现裂缝。 ( 3 ) 新老材料之间的界面缺陷乒簧混凝土开裂。老混凝土基材裂缝被处理 后，表面会留下由水泥石与裸石缝吱蔓凹凸不平的痕迹。修补材料填充进去后， 在新旧界面上产生的水膜层会造成界面的缺陷，引起混凝土丌裂。 ( 4 ) 养生期长，影响交通。普通水泥的养生期需要较长的过程，一般为1 4 天左右。因此，路面修补后，需要较长的养护期。即使是半幅修补，半幅通车， 路面也需要1 0 1 5 天的封闭时间，将会造成交通的不便。即使人们在其中添加 了部分的早强剂，高效减水剂，以及膨胀剂等等，但由于水泥类材料固有的特点， 其路面也会出现反复修补的情况，增大了投入的成本。 1 2 3 化学灌浆修补材料 化学灌浆是将一定的化学材料( 无机或有机材料) 配制成一定的溶液，借助 压力或重力将其灌入缝隙或地层内，使其扩散，胶凝，固化，以达到防渗补强的 一项技术。化学灌浆材料种类很多，若按其材料分类，有水玻璃类、木质素类、 丙烯酰胺类、丙烯酸类、氨基树脂、环氧树脂、甲基丙烯酸酯类和聚氨酯类等。 这些材料都有一定的独特性能，使用的针对性很强。近年来，在不同工程，不同 部位使用于不同要求的对象上，都解决了不少问题。 如按灌浆对象来分，一般可分为防渗堵漏固结材料和补强材料两种，其中环 氧树脂和甲基丙烯酸酯类属于补强材料外，其他均属于防渗堵漏固结材料。不过 对于聚氨酯，国外也有报道作为补强材料。如按照分类来划分，可分为复分解反 应和聚合反应。前者是讲化学材料以溶液形式灌入，在地层中反应分离出不溶物。 这些不溶物将地层内的孔隙充满，使之不透水或增加强度，水玻璃类浆材就是属 于这一种。后者是对某些高分子材料而言，就是将低分子的单体或低聚物灌入需 要处理的部位，使其反应成为不溶不熔的高聚物。 在我国，化学灌浆技术得到迅速发展，包括新化学灌浆材料的开发利用，降 低材料毒性和对环境的污染，以及降低化学灌浆成本等方面，不少单位都做了大 量的工作。主要的常用的高聚物化学灌浆材料有以下几种： a 环氧树脂 环氧树脂灌浆补强补漏材料：环氧树脂灌浆补强补漏材料系以e - 5 1 环氧树 脂、邻苯二甲酸二丁酯、二甲苯、乙二胺等物料等配制而成，品种有环氧树脂胶 凝浆液等。该材料补漏不受结构形状限制，粘结强度高、质量可靠、施工工艺简 单，可用于各种结构( 包括有振动、高温、腐蚀性介质作用的结构) 以修补0 1 m m 以上的裂缝，还可用于混凝土结构补强加固和粘结断裂构件。其主要缺点为对潮 湿基材的粘结强度降低。 b 甲凝灌浆材料 甲凝灌浆材料系以甲基丙烯酸甲酯为主剂，加入一些添加剂配制而成，是一 种高强度聚合物。甲凝浆液通常具有如下特点：( 1 ) 粘度低、可灌性极好。其粘 度为o 0 9p a s 比水更低，表面张力为2 3p a ，等于水的l 3 ，有良好的渗透性， 6 能灌0 0 3 r a m 的混凝土细裂缝：( 2 ) 凝结时间可控制在几分钟或几小时之内；( 3 ) 与构件粘结强度高，同时对光和许多化学试剂的稳定性好，耐老化，能抗稀酸和 碱的侵蚀；( 4 ) 该材料在混凝土中渗透能力强，扩散半径大。由于它的延伸率大， 故能承受混凝土冷缩的变形。其主要缺点是不适用于潮湿的条件，另外还必须在 无氧的环境下才可适用。 c 丙凝灌浆材料 丙凝灌浆材料是丙烯酰胺浆液的简称。丙凝灌浆材料是以丙烯酰胺为主剂， 添加交联剂、还原剂、氧化剂，按一定的配比加水配制而成。产品分为甲、乙两 液，施工时，分别用两种等量容器同时等压等量喷射混合，合成丙凝浆液，注入 补漏部位，经引发、聚合、交联反应后，形成富有弹性但不溶于水及一般溶剂的 高分子硬性胶凝。该材料主要特点为：( 1 ) 浆液粘度低( 几乎与水相同) ，渗透 性好，能入0 1 m m 以下的细微裂缝中，可在水压和十分潮湿的环境下凝聚：( 2 ) 凝结时间可随配比准确地控制在数秒或几小时内，可在水速大，水量多的情况下 迅速凝结：( 3 ) 抗渗性好，丙凝的抗渗系数为3 0 xe - t o c m s ，几乎是不透水的， 胶凝形成后，在水中还稍有膨胀性( 膨胀率为5 8 ) ，干缩后遇水还可膨胀， 能长期确保良好的堵水性能；( 4 ) 丙凝胶不溶于水和煤油、汽油等有机溶剂，能 耐酸、耐碱、细菌的侵蚀，亦不受大气条件的影响：( 5 ) 具有一定的强度和较好 的弹性和可变性。其主要缺点是具有毒性，同本福冈县曾用其进行补缝而发生大 面积的饮用水中毒事件，在目前越来越重视环保的场合，几乎已经不再被使用。 d 聚氨酯灌浆材料 聚氨酯灌浆材料：聚氨酯灌浆材料系以多异氰酸酯和聚醚树脂产生反应制成 的主剂( 通常称为预聚体) 与一些添加剂( 如溶剂、增塑剞、催化剂、表面活性 剂及填充剂等) 配置而成。聚氨酯类灌浆材料有以下特点：f 、1 ) 遇水前是稳定的， 可较长时间在密封情况下保存；( 2 ) 聚合速度快，逞水暑立即反1 立，生成不溶于 水的凝结胶体；( 3 ) 浆液与水反应时，放出二氧化碳气体侵浆液体积膨胀并且 自动地扩散，从而产生了较大的扩散半径和凝固体积，以至最终形成容积大、抗 压强度高、抗渗性好、堵水效果显著的凝固体：( 4 ) 凝狡时间可根据需要进行调 配，由几秒到几十分钟均可：( 5 ) 采用单液灌浆设备简单，使用方便。其主要缺 点是耐久性差。 7 综上所述，每种材料都各有优缺点与应用范围。用于结构补强时主要使用环 氧树脂。因为环氧树脂具有强度高，粘结力强，适用面广等特点。对于一般结构， 采用环氧树脂作为灌浆材料进行修补都能获得满意的效果。但是，对于混凝土路 面应该满足以下额外要求：( 1 ) 在较短的时间内发展强度；( 2 ) 高速公路承受的 是动态载荷，要求修补材料具有一定的韧性；( 3 ) 修补材料与旧的混凝土路面的 相容性要好；( 4 ) 修补材料处于一个丌放的环境下，要求能够经受得起温湿度变 化；( 5 ) 要有较长的使用期。比较即可知，上述传统材料不能满足水泥混凝土高 速公路路面裂缝修补要求。水泥混凝土路面迫切需要一种新型的裂缝修补材料。 1 3 国内外道路修补材料新进展 在水泥混凝土道路裂缝修补材料方面，目前世界范围的研究都不多。其原因 可能是发达国家的高速公路主要是沥青混凝土路面，只有在发展中国家例如中国 才在最近十几年建设了一定数量的水泥混凝土高速公路，所以关于这些公路裂缝 修补的文献、尤其是国外文献较少。但是，在混凝土路面板修补方面，则经历了 一个较长的发展时期，形成了比较成熟的技术，主要采用与混凝土路面标号相同 或稍高于混凝土路面的混凝土进行整板修补。由于需要的养护期较长，于是一系 列的早强水泥应运而生。如同本的“一同水泥”，德国的“s w i f l c r e t e ”，意大利的 “s u p e r c e m e n t ”，美国的i i i 型水泥等。我国也自主丌发了如硫铝酸盐水泥，氟铝 酸盐水泥等系列的超早高强水泥。固化时间在几分钟之内，一天强度可达到 2 4 m p a 左右。 在水泥基灌浆材料方面。梁乃兴等研究了水泥浆的灌浆性能及其在混凝土 路面中的应用性能。发现掺加适量的粉煤狄可增加浆体的稳定性，外加剂水玻璃 可增加浆体的稳定性及结石率，但对浆体的流动性有降低作用，而外加剂氯化钙 墨4 对浆体的流动性有增强作用。但是，普通水泥灌浆材料存在着强度低，粘结性 能差，强度发展较慢等缺点1 1 5 j ，不能适应快速开放交通及耐久性的要求。除此之 外，施工人员经常发现，所谓得到深入研究的修补材料，在施工以后没几天便产 生了裂缝 1 6 1 。因此，人们迫切需要对裂缝修补材料的特性有更多的了解。 目前在国外，水泥混凝土道路上的沥青灌浆修补材料主要分为两大类：一是 乳液沥青，一是发泡沥青。乳液沥青的固化原理是采用某些高分子两亲性的特点， 8 将沥青分散在水中，在养护过程中，由于水分的蒸发，沥青材料逐渐接触，反应 并形成一定强度的物质。而发泡沥青是通过将压缩空气或冷水注入标准针入度的 沥青中而产生的一种泡沫沥青。在使用时，压缩空气或冷水产生爆发性反应，生 成成千上万个泡沫。通过压力注入裂缝中后，碾压设备将沥青中的空气排出，沥 青则逐渐固化形成一定强度的物质1 1 7 】。国外研究表明橡胶改性沥青具有较高的弹 性，高分子剪切变稀性能等特点，适于在寒冷的条件下做修补材料l i b 。但是由于 沥青材料粘结强度偏低，所以本文不予研究。 道路所用的化学灌浆修补材料r 益集中在环氧树脂与聚氨脂浆液及彼此之 间的改性上。但环氧树脂在道路裂缝修补的实践中，效果一直不理想；聚氨酯浆 液往往强度不高，这些不足限制了它们的广泛应用。近年来国际上曾用过其他材 料，如美国哥伦比亚大学研究甲基丙烯酸甲酯来进行混凝土路面的修补，但现在 并未达到推广使用的水平；加拿大曾使用过纤维增强聚氨酯乳液来修补裂缝。由 于纤维增强高分子具有高的抗张强度与柔性，可以用来进行道路的修补，但对纤 维的要求较高f 1 9 】，实际操作还有难度。有机灌浆材料一般都在无水或微水的环境 下使用。在水利，大坝等含水场合，一般采用聚氨酯浆液来灌注裂缝【2 0 i 。 化学灌浆材料将来的发展方向一是无公害浆材，包括水溶液灌浆材料，无毒 催化剂灌浆材料，无溶荆型催化剂材料。二是耐久性浆材，包括高亲水性，高浸 润性浆材，高弹性浆材。三是成本低廉的浆材，包括水玻璃浆材与纸浆的无害化 开发。四是耐久性浆材，包括纳米改性浆材，共混高聚物浆材，以及嵌段或共聚 高聚物浆材等。 1 3 1 聚合物改性水泥灌浆材料 1 3 1 1 聚合物改性水泥灌浆材料的改性机理 聚合物改性水泥是一种将某些能够与水泥相容的高分子聚合体与水泥共混 后的产物。聚合物有粉质与乳液两种形式。本文研究的是聚合物乳液。聚台物乳 液分为四大类：橡胶乳液，热塑性树脂乳液，热固性树脂乳液，沥青乳液以及由 上述两种或几种混合起来的乳液。一般使用的为橡胶乳液中的丁苯乳液( s b r ) ， 氯丁乳液( c r ) ，以及热塑性树脂乳液中的聚丙烯酸酯乳液( p a e ) 和乙烯一乙 9 酸乙烯共聚物。通常，聚合物乳液中的固体含量一般为4 0 - 5 0 ，其中包括了聚 合物，乳化剂与稳定剂等。另外使用中还要根据具体的情况决定是否使用消泡剂。 聚合物改性水泥浆体相比较于普通的水泥浆体来说，其性质发生了一系列的 变化。如：抗折强度提高，抗压强度降低，柔性增加，粘结强度提高等。聚合物 改善作用是通过聚合物在水泥浆体形成具有较高粘结力的膜，并堵塞砂浆中的空 隙来实现的，水泥水化与聚合物成膜是同时进行的，最后形成聚合物膜与水泥浆 体相互交织的网络结构。具有反应基团的聚合物还可能会与固体氢氧化钙或集料 表面的硅酸盐发生化学反应。这种化学反应可望改进水泥水化与硅酸盐之间的粘 结，从而改善浆体的性能。 众多的科学家为了解释这一现象，提出了许多模型，比较著名的有o h a m a 模型，k o n i e t z k o 模型。这两个模型都认为最终形成了网状结构。后者认为两者 都形成了空i b j 网结构。前者则认为聚合物是空f 白j 网结构，水泥硬化浆体被包裹在 聚合物网结构内。o h a m a 模型把聚合物改性水泥砂浆和混凝土结构的形成过程 分为三个阶段： 第一阶段：当聚合物乳液在水泥搅拌过程中掺入后，乳液中的聚合物颗粒均 匀分布在水泥浆体中，形成聚合物水泥浆体。在这一浆体中，随着水泥的水化， 水泥凝胶逐渐形成，并且液相中的c a ( o h ) 2 达到饱和状态。同时，聚合物颗 粒沉积在水泥凝胶颗粒的表面。这一过程类似于水相中的c a ( o h ) 2 与矿物表 面的硅酸盐反应形成一层硅酸盐凝胶的过程。 第二阶段：随着水量的减少，水泥凝胶结构在发展，聚合物逐渐被限制在毛 细孔隙中，随着水化的进一步进行，毛细孔隙中的水量在减少，聚合物颗粒絮凝 在一起。在水泥水化：装胶的表面形成聚合物密封层，聚合物密封层也粘结了细砂 颗粒的表面及水泥水| 匕凝胶与未水化水泥的颗粒混合物的表面。因此，混合物中 的较大孔隙被有睾占结性的聚合物所填充。 第三阶段：由予水化过程的不断进行，凝聚在一起的聚合物颗料之间的水分 逐渐被全部吸收到水泥水化过程中的化学结合水中去，最终聚合物颗粒完全凝结 在一起形成连续的聚合物网状结构。聚合物网状结构把水泥水化物联结在一起， 即水泥水化物与聚合物交织缠绕在一起，因而改善了水泥石的结构形态。水化完 成后形成的水泥与聚合物形成网状结构，由于孔隙率的减少，两种物质的缠结， 1 0 使得固化后的浆体内既存在范德华力，又存在大量的化学键与离子键，内聚能相 对于纯水泥浆体有所增强，从而导致了聚合物改性水泥浆体具有一系列优于普通 水泥浆体的性能。 1 3 1 2 聚合物改性水泥浆体的应用 在我国，高速公路总里程已经位居世界第二位，而且由于车辆超载严重，许 多路面发生了程度不同的损坏。有的路面甚至发生沉降，错台等现象。由于聚合 物改性水泥具有的柔性与刚性兼有的特性，在修补方面的应用引起了越来越多的 关注。 我国目前所应用的修补材料主要集中在聚合物改性砂浆，粉煤扶高性能混凝 土与聚合物改性混凝土方面。这些修补材料适用于后期损坏相对比较严重的道路 【：。因为材料具有早强，粘结强度高，价格较低廉，少污染等特点，还可以应用 于铁路路基的加固，机场跑道的维修，高速公路路面的维修，水坝的加固等对工 期要求比较紧的场合 2 2 1 。在目前的工程上，一般用作罩补材料比较广泛，如鹰厦 线钢基混凝土梁的裂损修补，由于混凝土长期曝露于外，已经出现了少量细裂纹， 经过聚合物改性混凝土包裹后，材料的使用期明显变长 2 3 1 。在水坝的修补上也有 成功的实例，在潘家口与大黑汀水库的坝面维修上，经测量粘结强度达到 3 0 8 o m p a ，完全可以满足施工的要求1 2 4 1 。随着经验的同益丰富，人们逐渐意识 到前期修补对于工程使用寿命的重要性。但由于聚合物改性水泥浆体属新兴事 物，所以在应用上国内外目前还处于研究阶段，在实践中主要用作防渗材料。在 裂缝修补方面应用未见文献报道。 1 3 2 环氧树脂类灌浆材料 一c c 一 环氧树脂是指含有分子结构中含有( 。) 基团的树脂状高 分子化合物，它是一类树脂的总称。环氧树脂强度高，粘结力强，收缩小，化学 稳定性好，可以室温固化，从上世纪3 0 年代开始，在涂料，电绝缘材料和粘合 剂等方面获得了广泛的应用。环氧树脂作为灌浆材料使用，初见于上世纪五十年 代末期，其浆液具有较小的粘度，可以灌入细小的缝隙。与一般的环氧树脂固化 体系相比较，其组成成份罩通常增加了稀释剂( 包括活性稀释剂) ，增韧剂等成 分，固化后的坏氧树脂是一种体型网状结构物。它的粘结力和内聚能均大于混凝 土的内聚力，可以很好地恢复结构的整体性。 1 3 2 1 环氧树脂类灌浆材料的固化机理 环氧树脂可以通过三种交联固化反应成为热固性树脂： a ：环氧基之间的直接交联 b ：环氧基与羟基的连接 c ：环氧基与固化剂的活性基团发生反应，彼此连接。伯、仲胺类固化剂的 作用属于第三种。 以伯胺和环氧树脂反应为例，第一阶段是伯胺和环氧基反应生成仲胺，第二 阶段为生成的仲胺和环氧基反应生成叔胺。反应生成的羟基亦能和环氧基反应。 r n h 2+ c 、h 2 c 一 r n h c h 2 c h i o o h r n 弋h 2 c h h o h c h 2q hr nc h - - - - - - - c i h 一 o 一j 一 、c h 2 o c h h c h + c h 2 c h 一1 h l 、o l o 矗 3 c h 2 一c h 1 0 h 一般采用的胺类固化剂是多元伯胺和 孝敬妇乙二胺，二乙撑三胺，三乙撑 四胺，多乙撑多胺，1 3 羟乙基乙二胺等。它们都含有多于3 个能与环氧基反应 的活泼氢，而环氧树脂也具有2 个环氧基，这种多个官能度化合物之问的反应， 必然产生三维空间的立体网状结构，成为不溶不熔的高分子化合物。 在潮湿有水的条件下，环氧树脂与胺之间的反应受到了水的影响。水对环氧 1 2 树脂反应影响体现在两方面：一是使水溶性的胺类被水溶去，减少了与环氧树脂 反应的胺。二是水分子的存在，降低了浆液与基材的键间作用力，使浆液在有水 的混凝土裂缝内的润湿性降低。因此改善环氧树脂在有水环境下粘结强度应从两 方面来考虑：一是使用非水溶性的胺，在保证流动性的前提下，并使其反应速度 尽可能地快；二是采用潜伏性固化剂，利用潜伏性固化剂与水分解产生的胺固化 环氧树脂，从而破坏了粘结面上的水膜，提高了粘结强度。下面是潜伏性酮亚胺 与水反应的关系式。 r r j r n h 2 - - r - - n h 2 + o c 7 =! c n r n c ：+ h 2 0 r n r i 1 3 2 2 环氧树脂类灌浆材料的应用 坏氧树脂是一种补强、固结灌浆材料，在国内外都已得到了广泛的应用。尤 其是在建筑行业，其所具有的常温固化，流动性强等特性，使其在道路修补，桥 面维修等方面具有极其广泛的应用前景。另外，随着我国的建筑物老化时代的来 临，不少房屋也将出现了不同程度的裂缝。应用环氧树脂灌浆材料作为补强材料， 可以满足高档写字楼及各种居室的需要。例如，江苏省淮海农场利用坏氧树脂来 修补办公大楼，招待所，桥梁等工程，都收到了良好的效果瞄】。 另外，在水利水电方面，所产生的裂缝一般是潮湿或含饱和水的，有的还有 渗漏现象 2 6 1 。对于这类建筑物的补强材料，其要求更高。目前我国的胶粘剂，还 达不到在潮湿条件t 具有很高的粘结强度的水平。但是环氧树脂灌浆材料相对于 其他种类的材料来进行裂缝补强，仍然是具有常温固化、固化后收缩性小、粘结 能力强、抗拉与抗压强度高、以及能抵抗酸碱侵蚀等特点，在裂缝的结构补强方 面具有明显优势l 7 l 。我国三峡大坝，江垭大坝都运用了环氧树脂灌浆材料来修理 大坝上的裂缝。在8 个月后的回访中，发现缝面干燥，无水渗出。经钻孔取样分 析，可以得出环氧树脂浆液不但渗入了裂缝间隙，充填饱满，而且还渗入了混凝 土中的骨料的间隙，并向混凝土两侧浸润，扩展，有效地提高了对混凝土基材的 粘结强度。 1 3 3 聚氨酯类灌浆材料 1 3 3 1 聚氨酯类灌浆材料的固化机理 水溶性的聚氨酯类灌浆材料含有的异氰酯酯基团非常活泼，能与具有活泼氢 的物质如水，醇，胺及酸进行反应。聚氨酯类灌浆材料主要成分为异氰酸酯和多 元醇，除主剂外，还有外加剂，如催化剂，稀释剂，表面活性剂，乳化剂和缓凝 剂等。催化剂有叔胺类和有机锡盐类两种。稀释剂一般采用丙酮，二甲苯等。表 面活性剂可提高泡沫的稳定性和改善泡沫的结构。乳化剂可以提高催化剂在浆液 中的分散性及浆液在水中的分散性。浆液中加入缓凝剂可以使预聚反应减少支联 化，防止凝胶，同时在灌浆的过程中，也可缓慢反应速度，增大浆液扩散范围。 聚氨酯是一类优秀的灌浆材料，通过采用不同的固化剂与选择合适的异氰酸酯连 接基团，可以制得一系列柔性的或刚性的聚氨酯弹性体，适用于不同的场合1 2 9 。 聚氨酯预聚体是由过量的异氰酸酯与多元羟基预先反应生成的含有异氰酸 酯基团的低聚氨基甲酸酯化合物。在氨基存在时，由于异氰酸酯的- n c o 基团 非常活泼，很容易与胺基化合物的一n h 2 反应，生成氨基甲酸酯，所以这一反应 是很容易发生的。 r 。n c o + h 2 n - r - n h 2 r n h c o n h - r n h 2 常用的多异氰酸酯有甲苯二异氰酸酯，二苯基甲烷二异氰酸酯和多苯基多异 氰酸酯等。多羟基化合物可以采用聚醚树脂等，它的分子量与官能团可以有好几 种。聚氨酯灌浆材料进入裂缝后，如裂缝中含有水分，则与缝中的水分发生反应， 生成脲基化合物和二氧化碳。其反应式如下： r n c o + h 2 0 一n c 叫一，c o ， 1i | h 0 h 生成的氨基甲酸酯可以进一步和异氰酸酯反应生成臊基翌酸酯，也可与脲类 衍生物进一步反应生成缩二脲，使分子发生支化与交联： 1 4 0 l l n c o + 刊h c o l l n c o+ 刊h c n h h n - h h n _ 分子两端的异氰酸酯基团与分子链中的氨基甲酸酯和脲基发生反应，生成网 状结构，致使反应物的粘度迅速增大，逐渐形成不溶于水的聚合体，起到堵漏和 加固地基的作用。 il |l n c o r n h c o 求0 c n r n c o l d 冒冒 。一 ll ll “ n c o r - - n hq 川呻珈一c 删q - - n c o 练上所述，出于浆液中含有未反应的异氰酸脂基团，遇水或氨基发生化学反 应交联生成不溶于水的聚合体，因此能达到防渗、堵漏和固结的目的。反应过 程幸生成的二氧化碳气体，使体积膨胀，增加了固结体积比，而且产生较大的膨 胀压力，促使浆液二次扩散，从而加大了扩散范围。浆液遇水还有不易被稀释和 冲走，胶凝时间可以控制等优点。这些特性使聚氨酯在水工、建筑、地基修补方 面得到了方泛的应用。例如，f f l 湖水电站因为坝体裂缝，水分不断通过混凝土薄 一(。一ll o i if人一li 渗处理后，一周后进行检查，发现浆体己渗入基体内部，粘结状况良好。另外在 我国胜利油田的地下广场的处理上，对于严重渗水的部位，采用聚氨酯材料防渗， 也具有了良好的效果【驯。 l l i n c 旷r n h c 0 球邗c n r 水h i h c o 冒冒 l ll0 i n c o r n h c 珈咄。加c 刊呻n h 1 3 3 2 聚氨酯类改性环氧树脂的固化机理及性能 聚氨酯的预聚体还可以和坏氧树脂发生反应，进而形成i p n 共混网络，提 高了浆液的抗水性能。 使用聚氨酯预聚体改性时，预聚体的主要反应包括与水和胺的反应，而环氧 树脂也与胺类固化剂按照前述的固化机理进行。但是在聚氨酯改性环氧树脂的反 应中，还发生异氰酸酯与环氧树脂的羟基反应，并最终形成了n h c o o 基团。随 着聚氨酯在共混物屯掺量的增加，由于n h c o o 基团增加，环氧树脂与基材的粘 接性有所减少，但由于n h c o o 基团有较强的极性，可以和环氧树脂形成分子内 氢键，使粘接强度升高。在反应过程中，环氧树脂过量时，可以和聚氮酯形成i p n 体系，增加粘接强度。但当异氰酸酯基团增加到一定数量时，分子阳j 羟基几乎完 全参与反应，粘接强度会下降。所以在聚氨酯预聚体与环氧树脂之间存在一个旨 适的比例，其粘接强度最高b 。国外s t e f i a n 还详细研究了其中异氰酸酪基团翦 不同形态对于强度的影响，并且还可以导致t g 温度的降低瞰1 。预聚体引入环氧 树脂后，其力学性能，耐碱性都能得到提高，施工或嵌缝施工性能也得到改善。 1 6 1 4 结构裂缝修补的基本理论胶粘理论 裂缝修补实际上是用其他材料将断裂的结构粘结起来。粘接就是利用胶粘剂 将各